KR20130042559A - Magnetic field sensor with improved differentiation between a sensed magnetic field signal and a noise signal - Google Patents
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Abstract
자기장 센서는 자기장에 응답하여 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 신호 컴포넌트를 포함하는 홀 요소 출력 신호를 생성하는 홀 요소를 포함한다. 또한, 자기장 센서는 홀 요소 출력 신호를 수신하여 변조 회로 출력 신호를 생성하는 홀 요소 변조 회로를 포함한다. 이 때, 홀 요소 변조 회로는 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 변화하는 변동 변조 주파수를 갖는 변조 신호로 변조된다.The magnetic field sensor includes a Hall element that generates a Hall element output signal comprising a magnetic field signal component and an offset signal component in response to the magnetic field. The magnetic field sensor also includes a Hall element modulation circuit that receives the Hall element output signal and generates a modulator circuit output signal. At this time, the Hall element modulation circuit is modulated with a modulation signal having a variable modulation frequency that varies between the minimum and maximum frequencies.
Description
본 발명은 자기장 센서 장치들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 노이즈의 영향을 감소시키는 자기장 센서에 관한 것이다.The present invention relates to magnetic field sensor devices. More particularly, it relates to magnetic field sensors that reduce the effects of noise.
자기장들을 검출하기 위한 자기장 센서는 알려져 있다. 자기장 센서에 있어서, 자기장은 홀 요소(Hall element) 또는 자기저항 요소(magnetoresistance element)와 같은 자기장 검출 요소에 의해 검출된다. 이러한 자기장 검출 요소는 검출된 자기장에 비례하는 신호(즉, 자기장 신호)를 제공한다. 몇몇 방식들에서, 자기장 신호는 전기적인 신호일 수 있다.Magnetic field sensors for detecting magnetic fields are known. In a magnetic field sensor, the magnetic field is detected by a magnetic field detection element, such as a Hall element or a magnetoresistance element. This magnetic field detection element provides a signal proportional to the detected magnetic field (ie magnetic field signal). In some ways, the magnetic field signal can be an electrical signal.
자기장 센서는 다양한 응용 장치(application)들에서 사용된다. 이러한 자기장 센서는 자기장의 자기장 밀도를 검출하는 선형 자기장 센서, 전류 운반 전도체(current carrying conductor)에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자기장을 검출하는 전류 센서, 강자성(ferromagnetic) 물체의 접근을 검출하는 자기 스위치, 및 강자성 물체들이 지나가는 것을 검출하는 회전 검출기를 포함할 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.Magnetic field sensors are used in a variety of applications. Such magnetic field sensors include linear magnetic field sensors for detecting magnetic field density of magnetic fields, current sensors for detecting magnetic fields generated by currents flowing in current carrying conductors, magnetic switches for detecting proximity of ferromagnetic objects, And a rotation detector that detects the passing of the ferromagnetic objects, but is not limited thereto.
선형 자기장 센서에서, 출력 신호는 검출된 자기장에 정비례로 변화한다. 자기 스위치에서, 출력 신호는 검출된 자기장에 응답하여 상태(state)를 변경한다.In a linear magnetic field sensor, the output signal varies directly with the detected magnetic field. In a magnetic switch, the output signal changes state in response to the detected magnetic field.
자기장 센서들은 자기장 센서들의 정확도를 저하시키는 경향이 있는 노이즈에 영향을 받기 쉽다. 노이즈는 다양한 노이즈 소스(noise source)들로부터 야기될 수 있다. 이러한 노이즈는 외부 자기 잡음(external magnetic noise field)들의 소스들과 외부 전기 잡음(external electric noise field)들의 소스들을 포함할 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.Magnetic field sensors are susceptible to noise that tends to degrade the accuracy of magnetic field sensors. Noise can result from various noise sources. Such noise may include, but is not limited to, sources of external magnetic noise fields and sources of external electric noise fields.
노이즈를 원하는 자기장 신호로부터 구별(구분)할 수 있는 자기장 센서를 구현하는 것은 바람직할 것이다.It would be desirable to implement a magnetic field sensor that can distinguish noise from the desired magnetic field signal.
본 발명의 일 목적은 노이즈를 원하는 자기장 신호로부터 구별(구분)할 수 있는 자기장 센서를 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a magnetic field sensor capable of distinguishing (dividing) noise from a desired magnetic field signal.
본 발명은 시간에 따라 주파수가 변하는 변조 클럭 신호들을 가진 자기장 센서를 제공한다. 이러한 자기장 센서는 자기장 신호로부터 노이즈 신호를 보다 정확하게 구별하는 능력을 제공하는 자기장 센서 출력 신호를 만든다. The present invention provides a magnetic field sensor having modulated clock signals whose frequency changes over time. These magnetic field sensors produce a magnetic field sensor output signal that provides the ability to more accurately distinguish noise signals from magnetic field signals.
본 발명의 실시예들에 따른 자기장 센서는 자기장에 응답하여 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 신호 컴포넌트를 포함하는 홀 요소 출력 신호를 생성하는 홀 요소(Hall element)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 자기장 센서는 상기 홀 요소 출력 신호를 수신하여 변조 회로 출력 신호를 생성하는 홀 요소 변조 회로를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 홀 요소 변조 회로는 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 변화하는 변동 변조 주파수를 갖는 변조 신호로 상기 자기장 신호 컴포넌트 또는 상기 오프셋 신호 컴포넌트를 변조할 수 있다.The magnetic field sensor according to embodiments of the present invention may include a Hall element that generates a Hall element output signal including a magnetic field signal component and an offset signal component in response to the magnetic field. In addition, the magnetic field sensor may include a Hall element modulation circuit for receiving the Hall element output signal to generate a modulation circuit output signal. In this case, the Hall element modulation circuit may modulate the magnetic field signal component or the offset signal component with a modulation signal having a variable modulation frequency that varies between a minimum frequency and a maximum frequency.
상기 자기장 센서는 또한 하나 이상의 후술할 특징들을 가질 수 있다.The magnetic field sensor may also have one or more of the features described below.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 상기 제 1 최소 주파수에서 상기 제 1 최대 주파수까지 선형 스위프(linear sweep) 형태로 변화할 수 있다.According to some embodiments, the first variable modulation frequency may vary in the form of a linear sweep from the first minimum frequency to the first maximum frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 상기 제 1 최소 주파수에서 상기 제 1 최대 주파수까지 비선형 스위프 형태로 변화할 수 있다.According to some embodiments, the first variable modulation frequency may vary in a nonlinear sweep form from the first minimum frequency to the first maximum frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 상기 제 1 최소 주파수에서 상기 제 1 최대 주파수까지 복수의 이산 주파수 스텝(discrete frequency step)들 형태로 변화할 수 있다.According to some embodiments, the first variable modulation frequency may vary in the form of a plurality of discrete frequency steps from the first minimum frequency to the first maximum frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 변화할 수 있다.According to some embodiments, the first variable modulation frequency may vary in the form of a plurality of discrete frequency steps.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 변조 회로 출력 신호를 수신하여 증폭기 회로 출력 신호를 생성하는 증폭기 회로를 더 포함할 수 있다.According to some embodiments, the magnetic field sensor may further include an amplifier circuit for receiving the modulation circuit output signal and generating an amplifier circuit output signal.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 증폭기 회로는 상기 변조 회로 출력 신호를 나타내는 신호를 제 2 최소 주파수와 제 2 최대 주파수 사이에서 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호로 변조하는 스위칭 회로를 포함할 수 있다.In some embodiments, the amplifier circuit comprises a switching circuit that modulates a signal representing the modulator circuit output signal into a second modulated signal having a second variable modulation frequency that varies between a second minimum frequency and a second maximum frequency. It may include.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기될(synchronous) 수 있다.According to some embodiments, the second variable modulation frequency may be equal to the first variable modulation frequency, and the second variable modulation frequency may be synchronous to the first variable modulation frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 다르고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기될 수 있다.According to some embodiments, the second variable modulation frequency may be different from the first variable modulation frequency, and the second variable modulation frequency may be synchronized with the first variable modulation frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 증폭기 회로는 제 2 최소 주파수와 제 2 최대 주파수 사이에서 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호에 상응하는 비율로(at a rate) 상기 변조 회로 출력 신호를 나타내는 신호를 샘플링하는 샘플-홀드(sample and hold) 회로를 포함할 수 있다.According to some embodiments, the amplifier circuit outputs the modulator circuit output signal at a rate corresponding to a second modulated signal having a second variable modulation frequency that varies between a second minimum frequency and a second maximum frequency. And a sample-hold circuit for sampling a signal representing a.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기될 수 있다.According to some embodiments, the second variable modulation frequency may be equal to the first variable modulation frequency, and the second variable modulation frequency may be synchronized with the first variable modulation frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 증폭기 회로 출력 신호를 수신하여 자기장 센서 출력 신호를 생성하는 필터 회로를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 필터 회로는 안티-에일리어스(anti-alias)된 신호를 생성하는 안티-에일리어스 필터, 및 상기 안티-에일리어스 필터에 연결되고, 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 샘플링 주파수를 갖는 샘플링 신호에 따라 상기 안티-에일리어스된 신호를 나타내는 신호를 샘플링하는 이산 시간 선택 필터(discrete time selective filter)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 이산 시간 선택 필터는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 노치 주파수(changing notch frequency)를 가질 수 있다.According to some embodiments, the magnetic field sensor may further include a filter circuit that receives the amplifier circuit output signal and generates a magnetic field sensor output signal. At this time, the filter circuit is connected to an anti-alias filter for generating an anti-aliased signal, and the anti-alias filter, and the variation associated with the first variation modulation frequency. And a discrete time selective filter for sampling the signal representing the anti-aliased signal according to a sampling signal having a sampling frequency. In addition, the discrete time selection filter may have a changing notch frequency associated with the first varying modulation frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 안티-에일리어스 필터는 상기 변동 샘플링 주파수와 관련된 최대 샘플링 주파수의 절반 이상의 주파수 컴포넌트들을 감소시키기 위해 선택된 코너(corner) 주파수를 가질 수 있다.According to some embodiments, the anti-alias filter may have a corner frequency selected to reduce frequency components at least half of the maximum sampling frequency associated with the variable sampling frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수의 정수 배(integer times)와 같을 수 있다.According to some embodiments, the variable sampling frequency may be equal to integer times of the first variable modulation frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같을 수 있다.In some embodiments, the variable sampling frequency can be equal to the first variable modulation frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수의 두 배와 같을 수 있다.According to some embodiments, the variable sampling frequency may be equal to twice the first variable modulation frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 변동 노치 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같을 수 있다.In some embodiments, the variable notch frequency can be equal to the first variable modulation frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터(voltage controlled oscillator) 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함할 수 있다.According to some embodiments, the magnetic field sensor may further include a voltage controlled oscillator for generating a voltage controlled oscillator output signal having a variation frequency associated with the first variation modulation frequency.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 수신하여 상기 제 1 변조 신호, 상기 제 2 변조 신호 또는 상기 샘플링 신호 중에서 적어도 하나 이상을 생성하는 클럭 생성(clock generation) 회로를 더 포함할 수 있다.In example embodiments, the magnetic field sensor may include a clock generation circuit configured to receive the voltage controlled oscillator output signal to generate at least one of the first modulated signal, the second modulated signal, or the sampling signal. It may further include.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 출력 신호를 생성하여 상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호의 상기 변동 주파수를 제어하는 신호 생성 회로를 더 포함할 수 있다.According to some embodiments, the magnetic field sensor may further include a signal generation circuit for generating an output signal to control the variable frequency of the voltage controlled oscillator output signal.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 선형-변화(ramp)하는 선형 전압 신호를 포함할 수 있다.According to some embodiments, the output signal of the signal generation circuit may comprise a linear voltage signal that linearly-ramps from a minimum voltage value to a maximum voltage value.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 변화하는 비선형 전압 신호를 포함할 수 있다.According to some embodiments, the output signal of the signal generation circuit may include a nonlinear voltage signal that varies from a minimum voltage value to a maximum voltage value.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 복수의 이산 전압 스텝들 형태로 변화하는 스텝 전압(stepped voltage) 신호를 포함할 수 있다.According to some embodiments, the output signal of the signal generation circuit may include a stepped voltage signal that varies in the form of a plurality of discrete voltage steps from a minimum voltage value to a maximum voltage value.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 복수의 이산 전압 스텝들 형태로 변화하는 스텝 전압 신호를 포함할 수 있다.According to some embodiments, the output signal of the signal generation circuit may include a step voltage signal that varies in the form of a plurality of discrete voltage steps.
몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함할 수 있다.According to some embodiments, the magnetic field sensor may further include a voltage controlled oscillator for generating a voltage controlled oscillator output signal having a variation frequency associated with the first variation modulation frequency.
본 발명은 그 자체뿐 만 아니라 본 발명의 상술한 특징들이 아래 도면들에 대한 상세한 설명으로부터 보다 충분하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 홀 요소, 변조 회로, 초퍼 안정화 증폭기(chopper-stabilized amplifier)를 가진 증폭기 회로, 안티-에일리어스(anti-alias) 필터와 이산 시간(discrete-time) 선택 필터를 가진 필터 회로를 구비하는 종래의 자기장 센서(여기서, 클럭된 부분들(clocked portions)은 고정된 클럭들(즉, 고정된 주파수들을 가진 클럭 신호들)로 클럭됨)를 나타내는 블록도이다.
도 1a는 홀 요소, 변조 회로, 샘플-홀드 회로를 가진 증폭기 회로, 로우 패스 필터(low pass filter)를 가진 필터 회로를 구비하는 다른 종래의 자기장 센서(여기서, 클럭된 부분들은 고정된 클럭들로 클럭됨)를 나타내는 블록도이다.
도 2는 오프셋 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조하기 위하여 도 1 및 도 1a의 자기장 센서 내의 홀 요소와 변조 회로로서 사용될 수 있는 홀 요소 및 변조 회로를 구비하는 스위치 홀 요소(switched Hall element)를 나타내는 블록도이다.
도 2a는 도 2의 스위치 홀 요소를 위한 클록 신호들을 나타내는 그래프이다.
도 2b는 도 2의 스위치 홀 요소에 의해 제공되는 변조 오프셋 컴포넌트를 나타내는 그래프이다.
도 2c는 도 2의 스위치 홀 요소에 의해 제공되는 비변조(un-modulated) 자기장 신호 컴포넌트를 나타내는 그래프이다.
도 3은 자기장 신호 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조하기 위하여 도 1 및 도 1a의 자기장 센서 내의 홀 요소와 변조 회로로서 사용될 수 있는 홀 요소 및 변조 회로를 구비하는 스위치 홀 요소를 나타내는 블록도이다.
도 3a는 도 3의 스위치 홀 요소를 위한 클럭 신호들을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 도 3의 스위치 홀 요소에 의해 제공되는 비변조 오프셋 컴포넌트를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 도 3의 스위칭 홀 요소에 의해 제공되는 변조 자기장 신호 컴포넌트를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1 및 도 1a의 A지점에서 나타나는 싱글-엔디드 신호(single-ended signal)들인 네 개의 신호들을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 도 1의 B지점에서 나타나는 비변조 신호 컴포넌트와 변조 오프셋 컴포넌트를 가진 차동 신호(differential signal)를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 도 1의 C지점에서 나타나는 변조 오프셋 컴포넌트와 복조(demodulated) 자기장 신호 컴포넌트를 가진 차동 신호를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 도 1 및 도 1a의 D지점에서 나타나는 필터링된 변조 오프셋 컴포넌트와 복조 신호 컴포넌트를 가진 필터링된 차동 신호를 나타내는 그래프이다.
도 5는 홀 요소, 변조 회로, 초퍼 안정화 증폭기를 가진 증폭기 회로 및 안티-에일리어스 필터와 이산 시간 선택 필터를 가진 필터 회로를 구비하는 자기장 센서(여기서, 클럭된 부분들은 변조 클럭 신호(modulating clock signal)에 비례하여 주파수가 변하는 클럭들로 클럭됨)를 나타내는 블록도이다.
도 5a는 홀 요소, 변조 회로, 샘플-홀드 회로를 가진 증폭기 회로 및 로우 패스 필터를 가진 필터 회로를 구비하는 다른 자기장 센서(여기서, 클럭된 부분들은 변조 클럭 신호에 비례하여 주파수가 변하는 클럭들로 클럭됨)를 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5 또는 5a의 전압 제어 오실레이터(VCO)에 제어 신호로서 제공될 수 있는 전압 램프(voltage ramp)를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 도 6의 전압 램프에 응답하여 도 5 또는 도 5a의 변조 클럭 신호로서 생성될 수 있는 변화 주파수(varying frequency)를 나타내는 주파수 영역 그래프(frequency domain graph)이다.
도 7은 변조된 신호(여기서, 변조된 신호는 도 5의 증폭기 회로 내부에 있는 제 1 스위칭 회로 이후 또는 도 5a의 변조 회로의 출력에서 생성될 수 있는 변화 주파수 및 그의 고조파들을 가짐) 및 베이스밴드(baseband) 신호(여기서, 베이스밴드(즉, 복조된) 신호는 도 5 또는 도 5a의 증폭기 회로의 출력 또는 도 5나 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있음)를 나타내는 주파수 영역 그래프이다.
도 8은 변조된 신호(여기서, 변조된 신호는 도 5의 증폭기 회로 내부에 있는 제 1 스위칭 회로 이후 또는 도 5a의 변조 회로의 출력에서 생성될 수 있는 변화 주파수(그러나, 그의 고조파들은 생략됨)를 가짐), 노이즈 신호(여기서, 노이즈 신호는 변조된 신호의 밴드(band) 내에서 발생할 수 있음), 베이스밴드 신호(여기서, 베이스밴드 신호(즉, 복조된)는 도 5나 도 5a의 증폭기 회로의 출력 또는 도 5나 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있음), 및 베이스밴드로 복조된 노이즈 신호(여기서, 베이스밴드로 복조된 노이즈 신호는 도 5나 도 5a의 증폭기 회로의 출력 또는 도 5 또는 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있음)를 나타내는 주파수 영역 그래프이다.
도 9는 선형 변화 주파수(linearly varying frequency)를 가진 도 5 및 도 5a의 예시적인 변조 클럭 신호를 나타내는 시간 영역 그래프(time domain graph)이다.
도 9a는 노이즈 신호가 존재하는 상태에서 도 9의 선형 변화 주파수를 가진 변조 클럭 신호에 응답하여, 도 5의 C지점에서 생성될 수 있는 출력 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.
도 9b는 노이즈 신호가 존재하는 상태에서 도 9의 선형 변화 주파수를 가진 변조 클럭 신호에 응답하여, 도 5 및 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있는 출력 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.
도 10은 주파수 스텝(frequency step)들을 가진 도 5 및 도 5a의 예시적인 변조 클럭 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.
도 10a는 노이즈 신호가 존재하는 상태에서 도 10의 이산 주파수 스텝들을 가진 변조 클럭 신호에 응답하여, 도 5의 C지점에서 생성될 수 있는 출력 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.
도 10b는 노이즈 신호가 존재하는 상태에서 도 10의 이산 주파수 스텝들을 가진 변조 클럭 신호에 응답하여, 도 5 및 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있는 출력 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.The present invention as well as the above-described features of the present invention will be more fully understood from the following detailed description.
1 includes a Hall element, a modulation circuit, an amplifier circuit with a chopper-stabilized amplifier, an anti-alias filter and a filter circuit with a discrete-time selection filter. Is a block diagram representing a conventional magnetic field sensor, where clocked portions are clocked at fixed clocks (ie, clock signals with fixed frequencies).
1A shows another conventional magnetic field sensor having a Hall element, a modulation circuit, an amplifier circuit with a sample-hold circuit, and a filter circuit with a low pass filter, where the clocked portions are at fixed clocks. Clocked).
FIG. 2 is a block illustrating a switched hall element having a Hall element and a modulation circuit that can be used as a modulation element and a Hall element in the magnetic field sensor of FIGS. 1 and 1A to modulate the offset component to a higher frequency. It is also.
FIG. 2A is a graph illustrating clock signals for the switch hall element of FIG. 2. FIG.
FIG. 2B is a graph illustrating the modulation offset component provided by the switch hall element of FIG. 2.
FIG. 2C is a graph illustrating an un-modulated magnetic field signal component provided by the switch hall element of FIG. 2.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a Hall element in the magnetic field sensor of FIGS. 1 and 1A and a switch Hall element having a modulation circuit and a Hall element that may be used as a modulation circuit to modulate the magnetic field signal component to a higher frequency.
3A is a graph illustrating clock signals for the switch hall element of FIG. 3.
FIG. 3B is a graph illustrating the unmodulated offset component provided by the switch hole element of FIG. 3.
3C is a graph illustrating a modulated magnetic field signal component provided by the switching hall element of FIG. 3.
4 is a graph showing four signals that are single-ended signals appearing at point A of FIGS. 1 and 1A.
FIG. 4A is a graph illustrating a differential signal having an unmodulated signal component and a modulation offset component appearing at point B in FIG. 1.
FIG. 4B is a graph showing a differential signal having a modulation offset component and a demodulated magnetic field signal component at point C of FIG. 1.
4C is a graph illustrating a filtered differential signal having a filtered modulation offset component and a demodulation signal component appearing at point D in FIGS. 1 and 1A.
5 is a magnetic field sensor having a Hall element, a modulation circuit, an amplifier circuit with a chopper stabilizing amplifier and a filter circuit with an anti-alias filter and a discrete time selection filter, wherein the clocked portions are modulated clock signals. is clocked with clocks whose frequency varies in proportion to signal).
5A shows another magnetic field sensor having a Hall element, a modulation circuit, an amplifier circuit with a sample-hold circuit, and a filter circuit with a low pass filter, where the clocked portions are clocks whose frequency varies in proportion to the modulated clock signal. Clocked).
FIG. 6 is a graph showing a voltage ramp that may be provided as a control signal to the voltage controlled oscillator VCO of FIG. 5 or 5A.
FIG. 6A is a frequency domain graph showing a varying frequency that may be generated as the modulated clock signal of FIG. 5 or 5A in response to the voltage ramp of FIG. 6.
7 shows a modulated signal (where the modulated signal has a varying frequency and its harmonics that may be generated after the first switching circuit inside the amplifier circuit of FIG. 5 or at the output of the modulation circuit of FIG. 5A) and baseband. is a frequency domain graph representing a baseband signal, where the baseband (i.e., demodulated) signal may be generated at the output of the amplifier circuit of FIG. 5 or 5A or at the output of the filter circuit of FIG. 5 or 5A). .
FIG. 8 shows a modulated signal (where the modulated signal can be generated after the first switching circuit inside the amplifier circuit of FIG. 5 or at the output of the modulation circuit of FIG. 5A (but its harmonics are omitted) ), A noise signal (where the noise signal can occur within a band of the modulated signal), a baseband signal (where the baseband signal (ie, demodulated) is the amplifier of FIG. 5 or 5A) May be generated at the output of the circuit or at the output of the filter circuit of FIGS. 5 or 5A, and the noise signal demodulated to the baseband, where the noise signal demodulated to the baseband is output from the amplifier circuit of FIG. 5 or 5A. Or at the output of the filter circuit of FIG. 5 or FIG. 5A).
9 is a time domain graph showing the example modulated clock signal of FIGS. 5 and 5A with a linearly varying frequency.
FIG. 9A is a time domain graph illustrating an output signal that may be generated at point C of FIG. 5 in response to a modulated clock signal having the linear change frequency of FIG. 9 in the presence of a noise signal.
FIG. 9B is a time domain graph illustrating an output signal that may be generated at the output of the filter circuits of FIGS. 5 and 5A in response to a modulated clock signal having the linear change frequency of FIG. 9 in the presence of a noise signal.
10 is a time domain graph illustrating the example modulated clock signal of FIGS. 5 and 5A with frequency steps.
FIG. 10A is a time domain graph illustrating an output signal that may be generated at point C of FIG. 5 in response to a modulated clock signal having the discrete frequency steps of FIG. 10 in the presence of a noise signal.
FIG. 10B is a time domain graph illustrating an output signal that may be generated at the output of the filter circuits of FIGS. 5 and 5A in response to a modulated clock signal having the discrete frequency steps of FIG. 10 in the presence of a noise signal.
본 발명을 설명하기 이전에 몇몇 서두 개념들과 전문 용어가 설명된다. 본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, "자기장 검출 요소(magnetic field sensing element)"는 자기장을 검출할 수 있는 다양한 유형의 전기적 요소들(electronic elements)을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 상기 자기장 검출 요소들은 홀 요소(Hall element)들, 자기저항 요소(magnetoresistance element)들 또는 자기 트랜지스터들(magnetotransistor)들일 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다. 알려진 바와 같이, 다른 유형의 홀 요소들(예를 들면, 평면 홀 요소들(planar Hall elements), 수직 홀 요소들(vertical Hall elements), 및 원형 홀 요소들(circular Hall elements))이 있다. 또한, 알려진 바와 같이, 다른 유형의 자기저항 요소들(예를 들면, 비등방성 자기저항(anisotropic magnetoresistance; AMR) 요소들, 거대 자기저항 (giant magnetoresistance; GMR) 요소들, 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance; TMR) 요소들, 안티몬화 인듐(Indium antimonide; InSb) 요소들, 및 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 요소들)이 있다.Some introductory concepts and terminology are described before describing the invention. As used herein, a "magnetic field sensing element" can be used to describe various types of electronic elements capable of detecting a magnetic field. The magnetic field detection elements may be, but are not limited to, Hall elements, magnetoresistance elements, or magnetotransistors. As is known, there are other types of Hall elements (eg planar Hall elements, vertical Hall elements, and circular Hall elements). As is also known, other types of magnetoresistive elements (eg, anisotropic magnetoresistance (AMR) elements, giant magnetoresistance (GMR) elements, tunneling magnetoresistance; TMR) elements, Indium antimonide (InSb) elements, and magnetic tunnel junction (MTJ) elements).
본 명세서에서, 예들로서 홀 효과(Hall effect) 요소들이 사용될 수 있다. In this specification, Hall effect elements can be used as examples.
알려진 바와 같이, 상술된 자기장 검출 요소들의 일부는 상기 자기장 검출 요소를 지지(support)하는 기판에 평행한 최대 감도 축(an axis of maximum sensitivity)을 갖는 경향이 있고, 상술된 자기장 검출 요소들의 그 밖에 다른 것들은 상기 자기장 검출 요소를 지지하는 기판에 수직인 최대 감도 축을 갖는 경향이 있다. 구체적으로, 전부는 아니지만 자기저항 요소들의 대부분의 유형은 기판에 평행한 최대 감도 축들을 가지는 경향이 있고, 전부는 아니지만 홀 요소들의 대부분의 유형은 기판에 수직인 감도 축을 가지는 경향이 있다.As is known, some of the magnetic field detection elements described above tend to have an axis of maximum sensitivity parallel to the substrate supporting the magnetic field detection element, and others of the magnetic field detection elements described above. Others tend to have a maximum sensitivity axis perpendicular to the substrate supporting the magnetic field detection element. Specifically, most but not all types of magnetoresistive elements tend to have maximum sensitivity axes parallel to the substrate, and most but not all types of hall elements tend to have sensitivity axes perpendicular to the substrate.
본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, "자기장 센서"라는 용어는 자기장 검출 요소를 포함한 회로를 설명하기 위해 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 자기장 센서는 다양한 응용 장치(application)들에서 사용된다. 이러한 자기장 센서는 자기장의 자기장 밀도를 검출하는 선형 자기장 센서, 전류 운반 전도체(current carrying conductor)에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자기장을 검출하는 전류 센서, 강자성(ferromagnetic) 물체의 접근을 검출하는 자기 스위치, 및 강자성 물체들이 지나가는 것을 검출하는 회전 검출기를 포함할 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.As used herein, the term “magnetic field sensor” can be used to describe a circuit that includes a magnetic field detection element. As mentioned above, magnetic field sensors are used in a variety of applications. Such magnetic field sensors include linear magnetic field sensors for detecting magnetic field density of magnetic fields, current sensors for detecting magnetic fields generated by currents flowing in current carrying conductors, magnetic switches for detecting proximity of ferromagnetic objects, And a rotation detector that detects the passing of the ferromagnetic objects, but is not limited thereto.
본 명세서에서 설명된 회로들 및 기술들은 홀 효과 요소들을 사용하는 상기 식별된 유형들의 자기장 센서들에 모두 적합할 수 있다. 다만, 단순화를 위하여, 본 명세서에서는 자기장의 자기장 밀도를 검출하는 선형 자기장 센서들을 보여주는 예들만이 설명된다.The circuits and techniques described herein may be suitable for all of the above identified types of magnetic field sensors using Hall effect elements. However, for the sake of simplicity, only examples showing linear magnetic field sensors for detecting the magnetic field density of the magnetic field are described herein.
도 1을 참조하면, 종래의 자기장 센서(10)는 2008년 9월 16일자로 등록된 미국 특허 제7,425,821호에 설명된 유형이고, 본 발명의 양수인에게 양도되었으며, 이들은 전체로서 여기에 참조된다. 상기 자기장 센서(10)는 변조 회로(14)와 신호들(12a, ..., 12d)과 관련된 4개의 연결들(couplings)을 제공하는 홀 요소를 포함한다. 신호들(12a, ..., 12d)은 여기서 자기장 신호로 명명되는 차동 출력 신호(differential output signal)를 형성하기 위해 변조 회로(14)에 의하여 쌍으로 적절히 선택될 수 있다. 후술될 바와 같이, 상기 자기장 신호는 적어도 두 개 이상의 컴포넌트들(즉, 자기장에 응답하는 자기장 신호 컴포넌트 및 자기장에 일반적으로 응답하지 않는 오프셋 컴포넌트(일반적으로 DC에서 응답함))을 갖는다.Referring to FIG. 1, a conventional
변조 회로(14)는 도 2 내지 도 2c 또는 도 3 내지 도 3c와 함께 보다 상세하게 후술될 유형일 수 있다. 바람직하게는, 변조 회로(14)는 제 1 스위칭 회로(20)가 존재하는 실시예들을 위하여 도 2 내지 도 2c와 함께 후술될 유형일 수도 있고, 제 1 스위칭 회로(20)가 사용되지 않는 실시예들을 위하여 도 3 내지 도 3c와 함께 후술될 유형일 수도 있다.
변조 회로(14)는 보다 자세하게 후술될 초퍼 안정화 증폭기(chopper-stabilized amplifier)를 갖는 증폭기 회로(16)에 차동 출력 신호(14a, 14b)를 제공한다. 또한, 상기 증폭기 회로(16)는 보다 자세하게 후술될 필터 회로(26)에 차동 증폭 신호(differential amplified signal)(24a, 24b)를 제공한다. 필터 회로(26)는 이산 시간(시간 샘플링) 선택 필터에 앞서는 로우 패스 필터(low pass filter)(28)를 포함할 수 있다. 필터 회로(26)는 차동 출력 신호(30a, 30b)를 제공할 수 있다. 몇몇 대체하는 방식들에서, 차동 신호들(24a, 24b, 30a, 30b)은 싱글-엔디드(single ended) 신호들로 대신할 수 있다.The
차동 출력 신호(30a, 30b)는 홀 요소(12)에 의해 검출된 자기장에 비례하는 값을 가진 선형 출력 신호일 수 있다. 다른 방식들에서, 비교기(comparator)(미도시)는 차동 출력 신호(30a, 30b)를 수신할 수 있고, 이러한 경우, 비교기에 의해 생성된 출력 신호는 2개의 상태(state)들을 가진 비선형 신호일 수 있다. 이 때, 홀 요소(12)에 의해 검출된 자기장 신호를 나타내는 2개의 상태들은 쓰레시홀드(threshold)의 위거나 아래일 수 있다.The
증폭기 회로(16)는 차동 신호(14a, 14b)와 차동 피드백 신호(differential feedback signal)(36a, 36b)를 수신하는 서밍 노드(summing node)(18)를 포함할 수 있다. 서밍 노드(18)는 차동 신호(18a, 18b)를 생성할 수 있다. 제 1 스위칭 회로(20)는 차동 신호(18a, 18b)를 수신할 수 있고, 제 1 차동 스위치 신호(20a, 20b)를 생성할 수 있다. 차동 증폭기(22)는 제 1 차동 스위치 신호(20a, 20b)를 수신할 수 있고, 차동 증폭 신호(22a, 22b)를 생성할 수 있다. 제 2 스위칭 회로(24)는 차동 증폭 신호(22a, 22b)를 수신할 수 있고, 제 2 차동 스위치 신호(24a, 24b)를 생성할 수 있다. 서밍 노드(18), 제 1 스위칭 회로(20), 차동 증폭기(22) 및 제 2 스위칭 회로(24)는 초퍼 안정화 증폭기를 구성할 수 있다. 몇몇 방식들에서, 서밍 노드(18)는 생략될 수 있고, 차동 피드백 신호(36a, 36b)는 사용되지 않을 수 있다.The
또한, 자기장 센서(10)는 오실레이터(oscillator)(34)로부터 클럭 신호(34a)를 수신하고, 클럭 신호들(32a, 32b, 32c)을 변조 회로(14), 증폭기 회로(16) 및 필터 회로(26)에 각각 제공하는 클럭 생성 회로(clock generation circuit)(32)를 포함할 수 있다. 그러므로, 선호되는 실시예들에서, 변조 회로(14)의 스위칭 기능(switching function), 증폭기 회로(16)의 스위칭 기능 및 필터 회로(26)의 스위칭 기능은 동기(synchronous)될 수 있다.In addition, the
변조 회로(14)는 주파수(Φ)를 갖는 클럭 신호(32a)로 클럭될 수 있다. 제 1 및 제 2 스위칭 회로들(20, 24)은 주파수(KΦ)(단, K는 1/2의 정수 배임)를 갖는 클럭 신호(32b)로 클럭될 수 있다. 이산 시간 선택 필터(30)는 주파수(NΦ)(단, N은 정수)를 갖는 클럭 신호(32c)로 클럭될 수 있다. 몇몇 방식들에서는, KΦ=Φ 및 NΦ=Φ일 수 있다. 클럭 신호들(32a, 32b, 32c)은 정적인 주파수(static frequency)를 가질 수 있다.The
상술한 바와 같이, 차동 출력 신호(즉, 차동 신호는 변조 회로(14)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택됨)는 검출된 자기장에 비례하는 원하는(desired) 자기장 신호 컴포넌트와 원하지 않는(undesired) 오프셋 신호 컴포넌트(즉, DC) 모두를 포함할 수 있다. 홀 요소(12)가 자기장 신호 컴포넌트와 오프셋 컴포넌트 모두를 갖는 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)를 생성할 지라도, 자기장 센서(10)로부터의 출력 신호(30a, 30b)가 우세(predominant) 자기장 신호 컴포넌트와 비교적 감소된 오프셋 컴포넌트를 가진다는 것은 도 2 내지 도 3a에 대한 아래의 설명으로부터 명백해질 것이다.As described above, the differential output signal (i.e., the differential signal is suitably selected in pairs among the
베이스밴드(baseband)에서 자기장 신호 컴포넌트가 남겨지는 동안에, 변조 회로(14)가 홀 요소 차동 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)의 오프셋 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조(즉, 주파수 편이(frequency shift))한다는 것은 도 2 내지 도 2c에 대한 아래의 설명으로부터 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트는 변조 회로(14)의 동작 이후에 주파수 상에서 분리될 수 있다.While the magnetic field signal component is left in the baseband, the
동작에 있어서, 초퍼 안정화 증폭기를 가진 증폭기 회로(16)는 (제 1 스위칭 회로(20)로) 변조 및 (제 2 스위칭 회로(24)로) 복조(즉, 주파수 편이)할 수 있고, 베이스밴드(예를 들면, DC 또는 상대적으로 낮은 주파수)에 남는 자기장 신호 컴포넌트를 만들 수 있다. 또한, 증폭기 회로는 (제 1 스위칭 회로(20)로) 복조 및 (제 2 스위칭 회로(24)로) 재변조(re-modulate)(즉, 주파수 편이)할 수 있고, 더 높은 주파수에 남는 오프셋 컴포넌트를 만들 수 있다. 따라서, 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트는 증폭기 회로(16)의 동작 이후에 주파수 상에서 분리된 상태로 남을 수 있다.In operation, the
필터 회로(26)는 더 높은 주파수에서 나타나는 오프셋 컴포넌트의 크기(magnitude)를 감소시킬 수 있다. 따라서, 차동 출력 신호(30a, 30b)는 베이스밴드(즉, DC 또는 상대적으로 낮은 주파수)에 있는 자기장 신호 컴포넌트 및 더 높은 주파수로 이전에(previously) 편이된 크게 감소된 오프셋 컴포넌트를 포함할 수 있다.The
자기장 센서(10)에 대한 그 이상의 설명은 상술한 미국 특허 제7,425,821호에서 참조될 수 있다.Further description of the
도 1a를 참조하면, 도 1의 요소들과 같은 요소들은 같은 참조 번호들로 지정되어 있다. 다른 종래의 자기장 센서(40)는 1997년 4월 15일자 등록된 미국 특허 제5,621,319호에서 설명된 유형일 수 있다. 상기 미국 특허는 본 발명의 양수인에게 양도되었고, 그 전체로서 참조로 여기에 병합된다. 자기장 센서(40)는 변조 회로(15)와 신호들(12a, ..., 12d)과 관련된 4개의 연결들을 제공하는 홀 요소(12)를 포함할 수 있다. 변조 회로(15)는 도 3 내지 도 3c와 함께 보다 자세하게 후술될 유형일 수 있다.1A, elements such as those of FIG. 1 are designated by the same reference numerals. Another conventional
변조 회로(15)는 보다 자세하게 후술될 두 개의 샘플-홀드(sample and hold) 회로들(43, 44)을 갖는 증폭 회로(41)에 차동 출력 신호(15a, 15b)를 제공할 수 있다. 증폭 회로(41)는 보다 자세하게 후술될 필터 회로(48)에 차동 증폭 신호(46a, 46b)를 제공할 수 있다. 필터 회로(48)는 차동 출력 신호(47a, 47b)를 제공할 수 있다. 몇몇 대체하는 방식들에서, 차동 신호들(46a, 46b, 47a, 47b)은 싱글-엔디드 신호들(single ended signals)일 수 있다.
증폭 회로(41)는 차동 신호(15a, 15b)를 수신하여 차동 증폭 신호(42a, 42b)를 생성하는 차동 증폭기(42)를 포함할 수 있다. 제 1 샘플-홀드 회로(43)는 싱글-엔디드 신호로서 신호(42a)를 수신할 수 있다. 제 2 샘플-홀드 회로(44)는 싱글-엔디드 신호로서 신호(42b)를 수신할 수 있다. 샘플-홀드 회로(43)는 신호(43a)를 생성할 수 있고, 샘플-홀드 회로(44)는 신호(44a)를 생성할 수 있다. 서밍 노드(45)는 신호들(43a, 44a)을 수신할 수 있고, 감산 신호(subtracted signal)(45a)를 생성할 수 있다. 증폭기(46)는 감산 신호(45a)를 수신할 수 있고, 차동 신호(46a, 46b)를 생성할 수 있다.The amplifying
필터 회로(48)는 차동 신호(46a, 46b)를 수신하여 차동 필터 신호(differential filtered signal)(47a, 47b)를 생성하는 로우 패스 필터(47)를 포함할 수 있다.The
또한, 자기장 센서(40)는 오실레이터(34)로부터 클럭 신호(34a)를 수신하고, 변조 회로(12) 및 증폭기 회로(41)에 클럭 신호(49a)를 제공하는 클럭 생성 회로(clock generation circuit)(49)를 포함할 수 있다. 선호되는 실시예들에서, 변조 회로(15)의 스위칭 기능은 증폭기 회로(41)의 스위칭 기능과 동기될 수 있다.The
변조 회로(15)는 주파수(Φ)를 갖는 클럭 신호(49a)로 클럭될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 샘플-홀드 회로(43, 44)는 클럭 신호(49a)로 클럭될 수 있다. 클럭 신호(49a)는 정적인 주파수를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 필터 회로(48)는 클럭되지 않을 수 있다. 다른 실시예들에서, 필터 회로(48)는 이산 시간 선택 필터를 포함할 수 있다. 이 때, 이산 시간 선택 필터는 도 1의 이산 시간 선택 필터(30)와 동일하거나 유사할 수 있다.The
상술한 바와 같이, 홀 요소(12)로부터의 출력 신호(즉, 변조 회로(15)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)는 검출된 자기장에 비례하는 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 신호 컴포넌트를 모두 포함한다는 것이 이해될 것이다. 홀 요소(12)가 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트를 갖는 신호(즉, 변조 회로(15)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택한 차동 신호)를 생성할 지라도, 자기장 센서(40)로부터의 출력 신호(47a, 47b)는 우세 자기장 신호 컴포넌트 및 크게 감소된 오프셋 컴포넌트를 가진다는 것이 도 3 내지 도 3c에 대한 아래의 설명으로부터 명백해 질 것이다.As described above, the output signal from the Hall element 12 (i.e., the differential signal suitably selected in pairs among the
또한, 상술한 바와 같이, 베이스밴드(예를 들면, DC)에서 오프셋 컴포넌트가 남겨지는 동안, 변조 회로(15)가 홀 요소 차동 신호(즉, 변조 회로(15)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)의 자기장 신호 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조(즉, 주파수 편이)한다는 것이 도 3 내지 도 3a에 대한 설명으로부터 이해될 것이다. 따라서, 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트는 변조 회로(15)의 동작에 의하여 주파수 상에서 분리될 수 있다.Further, as described above, while the offset component is left in the baseband (e.g., DC), the
두 개의 샘플-홀드 회로들(43, 44)을 가진 증폭기 회로(41)는 베이스밴드(예를 들면, DC 또는 낮은 주파수)로 돌아오는 자기장 신호 컴포넌트를 복조(즉, 주파수 편이)할 수 있고, 오프셋 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조(즉, 주파수 편이)할 수 있다. 따라서, 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트는 증폭기 회로(41)의 동작 이후에는 주파수 상에서 분리된 상태로 남을 수 있다. 또한, 두 개의 샘플-홀드 회로들(43, 44)은 도 1의 이산 시간 선택 필터(30)에 의해 제공되는 것과 유사한 결과 신호의 필터링(filtering)을 제공할 수 있다. 그러므로, 이산 시간 선택 필터(30)는 자기장 센서(40)에서 필요하지 않을 수 있다.The
필터 회로(48)는 로우 패스 회로(47)를 포함할 수 있다. 동작에 있어서, 필터 회로(48)는 더 높은 주파수에서 나타나는 오프셋 컴포넌트의 크기를 더 감소시킬 수 있다. 또한, 필터 회로(48)는 샘플링 동작에 기인하는 어떠한 2차 컴포넌트들(second order components)도 감소시킬 수 있다. 따라서, 차동 출력 신호(47a, 47b)는 베이스밴드(예를 들면, DC 또는 낮은 주파수)에 있는 자기장 신호 컴포넌트 및 더 높은 주파수로 이전에 편이된 크게 감소된 오프셋 컴포넌트를 포함할 수 있다.The
도 2를 참조하면, 홀 오프셋 컴포넌트를 변조하는 유형의 스위치 홀 요소(50)가 홀 요소(52)(또는, 홀 플레이트(Hall plate)) 및 변조 회로(54)를 포함할 수 있다. 변조 회로(54)는 도 1의 변조 회로(14)와 유사하거나 동일할 수 있다. 홀 요소(52)는 4개의 접합들(contacts)(52a, 52b, 52c, 52d)을 포함할 수 있고, 도시된 바와 같이, 4개의 접합들(52a, 52b, 52c, 52d) 각각은 스위치(56a, 56b, 56c, 56d)의 제 1 단자(terminal)에 각각 연결될 수 있다. 스위치들(56b, 56c)의 제 2 단자들은 스위치 홀 출력 신호(switched Hall output signal)의 양의 노드(positive node)(여기서, +로 표시)를 제공할 수 있고, 스위치들(56a, 56d)의 제 2 단자들은 스위치 홀 출력 신호의 음의 노드(negative node)(여기서, -로 표시)를 제공할 수 있다.Referring to FIG. 2, a
추가적인 스위치들(60a, 60b, 60c, 60d)은 홀 접합들(Hall contacts)을 공급 전압(supply voltage)(, ground)에 선택적으로 연결하기 위하여 배치될 수 있다. 보다 상세하게는, 스위치들(56b, 56d, 60a, 60c)은 클럭 신호(CLK)에 의해 제어될 수 있고, 스위치들(56a, 56c, 60b, 60d)은 상보적인 클럭 신호(complementary clock signal)(CLK/)에 의해 제어될 수 있다. 클럭 신호들(CLK, CLK/)은 도 2a에 도시된 바와 같이, 두 가지 상태들 또는 위상들(즉, 상태 및 상태)을 가질 수 있다.
동작에 있어서, 위상()에서, 전류는 단자(52a)에서부터 단자(52c)까지 흐르고, 스위치 홀 출력 신호()는 (단, 는 홀 요소 오프셋 전압 또는 홀 오프셋 컴포넌트이고, 는 자기장 신호 컴포넌트임)와 같다. 위상()에서, 전류는 단자(52b)부터 단자(52d)까지 흐르고, 스위치 홀 출력 신호()는 와 같다. 따라서, 변조 회로(54)는 홀 오프셋 컴포넌트()를 변조한다. 이 때, 도 2b에는 0이 아닌 자기장인 경우가 도시되어 있다. 자기장 신호 컴포넌트()는 도 2c에서 도시된 바와 같이, 실질적으로 불변 상태(invariant)로 남는다. In operation, the phase ( ), Current flows from terminal 52a to terminal 52c, and the switch hole output signal ( ) (only, Is a Hall element offset voltage or Hall offset component, Is a magnetic field signal component). Phase( ), Current flows from terminal 52b to terminal 52d, and the switch hole output signal ( ) Same as Thus, the
도 3을 참조하면, 자기 신호 컴포넌트를 변조하는 유형의 대체 스위치 홀 요소(alternative switched Hall element)(70)가 홀 요소(72) 및 변조 회로(74)를 포함할 수 있고, 변조 회로(74)는 도 1a의 변조 회로(15)와 동일하거나 유사할 수 있다. 홀 요소(72)는 도 2의 홀 요소(52)와 동일할 수 있고, 4개의 접합들(72a, 72b, 72c, 72d)을 포함할 수 있다. 이 때, 4개의 접합들(72a, 72b, 72c, 72d) 각각은 각 스위치(76a, 76b, 76c, 76d)의 제 1 단자에 각각 연결될 수 있다. 스위치들(76a, 76b)의 제 2 단자들은 스위치 홀 출력 신호의 양의 노드(여기서, +로 표시)를 제공할 수 있다. 스위치들(56c, 56d)의 제 2 단자들은 스위치 홀 출력 신호의 음의 노드(여기서, -로 표시)를 제공할 수 있다. 따라서, 도 2 및 도 3의 비교는 위상()에서 홀 요소의 출력 접합들이 교환된다는(interchanged) 것을 보여주고 있다.Referring to FIG. 3, an alternate switched
추가적인 스위치들(80a, 80b, 80c, 80d)은 홀 접합들(72a, 72b, 72c, 72d)을 공급 전압(, ground)에 선택적으로 연결하기 위하여 배치될 수 있다. 스위치들(76b, 76d, 80a, 80c)은 클럭 신호(CLK)에 의해 제어될 수 있고, 스위치들(76a, 76c, 80b, 80d)은 상보적인 클럭 신호(CLK/)에 의해 제어될 수 있다. 도시된 바와 같이, 클럭 신호들(CLK, CLK/)은 도 2의 신호들과 동일할 수 있고, 그에 따라 두 가지 상태들 또는 위상들(, )을 가질 수 있다.The
동작에 있어서, 위상()에서, 전류는 단자(72a)에서부터 단자(72c)까지 흐르고, 스위치 홀 출력 신호()는 와 동일하다. 위상()에서, 전류는 단자(72b)에서부터 단자(72d)까지 흐르고, 스위치 홀 출력 신호()는 와 동일하다. 따라서, 변조 회로(74)는 자기 신호 컴포넌트를 변조하여 변조 자기 신호 컴포넌트()를 제공할 수 있다. 이 때, 도 3c에는 0이 아닌 자기장의 경우가 도시되어 있다. 오프셋 컴포넌트()는 도 3b에서 도시된 바와 같이 실질적으로 불변 상태로 남는다.In operation, the phase ( ), Current flows from terminal 72a to terminal 72c, and the switch hole output signal ( ) . Phase( ), Current flows from terminal 72b to terminal 72d, and the switch hole output signal ( ) . Thus, the
선호되는 실시예에서, 도 5의 상기 변조 회로(14)는 도 2 내지 도 2c와 함께 설명된 유형이고, 도 5a의 변조 회로(15)는 도 3 내지 도 3c와 함께 설명된 유형이라는 것이 도 5 내지 도 5a에 대한 아래의 설명으로부터 이해될 것이다. 다시 말하면, 선호되는 실시예에서, 도 5의 상기 증폭기 회로(16)는 변조 오프셋 컴포넌트 및 비변조(un-modulated) 자기장 신호 컴포넌트를 갖는 차동 신호(14a, 14b)를 수신할 수 있다. 반대로, 선호되는 실시예에서, 도 5a의 증폭기 회로(41)는 변조 자기장 신호 컴포넌트 및 비변조 오프셋 컴포넌트를 갖는 차동 신호(15a, 15b)를 수신할 수 있다.In a preferred embodiment, the
도 4 내지 도 4c를 참조하면, 그래프들(100, 120, 140, 160)이 도 1의 지점들(A, B, C, D)에서 나타나는 신호들을 나타내고 있다. 이러한 그래프들(100, 120, 140, 160) 각각은 임의의 시간 단위인 수평축과 임의의 전압 단위인 수직축을 갖는다.4 through 4C,
도 1a의 방식에서, 도 1a의 신호들(A', B', D')은 도 1과 도 4 내지 도4c의 신호들(A, B, D)과 유사할 수 있다. 도 1a의 자기장 센서(40)의 동작은 상기 언급된 미국 특허 제5,621,319호에서 설명되고 있으므로, 본 명세서에서는 그 이상 설명하지 않는다.In the manner of FIG. 1A, the signals A ′, B ′, D ′ of FIG. 1A may be similar to the signals A, B, D of FIGS. 1 and 4-4C. The operation of
그래프(100)는 4가지 신호들(102, 104, 106, 108)을 포함할 수 있고, 도 1에 도시된 바와 같이, 4가지 신호들(102, 104, 106, 108) 각각은 신호들(12a, 12b, 12c, 12d)을 각각(즉, 상기 신호(A))을 나타낸다. 또한, 4가지 신호들(102, 104, 106, 108) 각각은 도 2의 상기 스위치들(56a, 56b, 56c, 56d)에 의해 수신된 4개의 신호들을 나타낸다. 도 1의 클럭 신호()와 도 2의 신호(CLK)의 어떠한 반주기(half cycle)에서, 신호들(102, 108 또는 104, 106) 중에서 2개가 도 2의 신호들(+, -)로서 변조 회로의 출력에서 나타날 수 있다. 이 때, 도 2의 신호들(+, -)은 도 1의 차동 신호(14a, 14b)(즉, 도 1의 신호(B))일 수 있다. 도 2의 신호들(+, -) 사이의 차이와 도 1의 신호들(14a, 14b) 사이의 차이는 차동 신호들이다.The
위상(Ph 0)에서, 신호들(104, 106)은 양(110)만큼 다르다. 위상(Ph 90)에서, 신호들(108, 102)은 양(112)만큼 다르고, 신호들(104, 106)의 차이와는 극성이 반대이다. 도 4a의 신호(122)는 신호들의 상술한 차이를 나타내고, 도 2b 및 2c의 신호들(, )의 합(sum)을 나타내며, 도 1의 차동 신호(B)를 나타낸다. 신호(122)의 AC 부분은 신호(122)의 변조 오프셋 컴포넌트를 나타낸다. 라인(line)(124)은 신호(122)(즉, 변조되지 않는 자기장 신호 컴포넌트인 신호(122)의 자기장 신호 컴포넌트)의 DC 부분(또는 낮은 주파수 부분)을 나타낸다.In
신호(144)는 도 1의 차동 신호(28a, 28b)(즉, 도 1의 신호(C))를 나타낸다. 신호(144)는 도 1의 클럭 신호(32b)의 주파수에 의존하면서, 도 1의 로우 패스 필터(28)의 대역 제한 효과(band limiting effects)에 기인하는 둥근 에지(rounded edge)들을 가질 수 있다. 신호(144)는 도 1의 상기 증폭기 회로(16)에 의해 제공되는 증폭에 의하여 신호(122)보다 클 수 있다. 신호(144)는 도 4a의 오프셋 컴포넌트(124)를 나타내는 AC 부분을 가질 수 있고, 도 1의 증폭기 회로(16)(즉, 초퍼 안정화 증폭기)를 거쳐 생성되는 변조 오프셋 컴포넌트일 수 있다. 라인(142)은 신호(144)의 DC 부분을 나타낼 수 있고, 변조된 자기장 신호(122)(즉, 자기장 신호 컴포넌트)의 AC 부분의 복조 버전(demodulated version)일 수 있다.
원하는 신호(자기장 신호 컴포넌트)는 신호(144)의 DC 부분(또는, 저 주파수 부분)이고(이 때, DC 부분은 라인(142)으로 나타나 있음), 원하지 않는 신호(오프셋 컴포넌트)는 신호(144)의 AC 부분임을 알아야 할 것이다. 또한, 도 1의 자기장 센서(10)가 정적인 자기장을 검출(experience)할 때, 라인(142)에 의해 나타내어지는 신호(144)의 DC 부분은 오직 DC 신호임을 이해하여야 할 것이다. 다시 말하면, 도 1의 자기장 센서(10)가 변화하는 자기장을 검출한다면, 라인(142)으로 나타내어지는 신호(144)의 DC 부분은 변화하는 (AC) 부분을 가질 것이다.The desired signal (magnetic field component) is the DC portion (or low frequency portion) of signal 144 (where the DC portion is represented by line 142) and the unwanted signal (offset component) is
곡선(164)은 도 1의 차동 신호(30a, 30b)(즉, 도 1의 신호(D))를 나타낸다. 곡선(164)은 곡선(144)의 필터링된 버전(filtered version)일 수 있다. 신호(164)를 얻기 위하여 신호(144)를 필터링하는 것은 신호(144)의 원하는 DC 부분(자기장 신호 컴포넌트)을 보다 근접하게 나타내는 신호를 남기면서 신호(144)의 많은 AC 부분을 제거할 수 있다. 이 때, 라인들(142, 162)은 신호(144)의 원하는 DC 부분을 나타낸다. 그러나, 상술한 바와 같이, 도 1의 자기장 센서(10)가 정적인 자기장을 검출할 때, 라인(162)에 의해 나타내어지는 신호(164)의 DC 부분은 오직 DC 신호이다.
도 4, 도 4a 및 도 4c의 신호들이 도 1a의 신호들(A', B', D')과 유사하다는 것을 이해하여야 할 것이다. 그러나, 도 1a과 관련하여, 도 4a의 신호(122)는 도 3b 및 도 3c의 신호들(, )의 합을 나타내고, 도 1a의 차동 신호(B')를 나타낸다. 신호(122)의 AC 부분은 신호(122)의 변조 자기장 신호 컴포넌트를 나타낸다. 라인(124)은 신호(122)의 DC 부분(또는 저 주파수 부분) 즉, 신호(122)의 오프셋 컴포넌트를 나타낸다. 그러므로, 도 4a를 참조하면, 도 1의 신호(B)와 다른 도 1a의 신호(B')를 위하여 자기장 신호는 변조될 수 있고, 오프셋 컴포넌트는 변조되지 않을 수 있다.It will be appreciated that the signals of FIGS. 4, 4A, and 4C are similar to the signals A ', B', D 'of FIG. 1A. However, in relation to FIG. 1A, the
도 5를 참조하면, 도 1의 요소들과 같은 요소들은 같은 참조 번호들로 지정되어 있다. 자기장 센서(200)는 도 1의 자기장 센서(10)와 유사할 수 있다. 그러나, 자기장 센서(200)는 VCO 제어 신호 생성기(VCO control signal generator)(220)에 의해 생성된 VCO 제어 신호(220a)를 수신하는 전압 제어 오실레이터(VCO)(218)를 포함할 수 있다. VCO(218)는 VCO 제어 신호(220a)에 응답하여 주파수가 변하는 VCO 출력 신호(218a)를 생성할 수 있다. 클럭 생성 회로(216)는 VCO 출력 신호(218)를 수신할 수 있고, 주파수가 변하는 클럭 신호들(216a, 216b, 216c)을 생성할 수 있다.5, elements such as those of FIG. 1 are designated by the same reference numerals. The
도 1의 클럭 생성 회로(32)와 유사하게, 클럭 생성 회로(216)는 변조 회로(14), 증폭기 회로(16) 및 필터 회로(26) 각각에 클럭 신호들(216a, 216b, 216c)을 제공할 수 있다. 그러므로, 선호되는 실시예에서, 변조 회로(14)의 스위칭 기능, 증폭기 회로(16)의 스위칭 기능 및 필터 회로(26)의 스위칭 기능은 동기될 수 있다.Similar to the
도 1의 자기장 센서(10)처럼, 변조 회로(14)는 주파수()를 갖는 클럭 신호(216a)로 클럭될 수 있다. 제 1 및 제 2 스위칭 회로(20, 24)는 주파수( )(단, 는 1/2의 정수 배)를 갖는 클럭 신호(216b)로 클럭될 수 있다. 이산 시간 선택 필터(30)는 주파수( )를 갖는 클럭 신호(216c)로 클럭될 수 있다. 몇몇 방식들에서, 이고, 이다. 그러나, 도 1의 자기장 센서(10)와는 달리, 클럭 신호들(216a, 216b, 216c)은 비정적인(non-static)(즉, 변화하는) 주파수들을 가질 수 있다.Like the
특히, 클럭 신호(216a)는 제 1 최소 주파수와 제 1 최대 주파수 사이에서 변화하는 제 1 변동 변조 주파수를 갖는 제 1 변조 신호일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 변동 변조 주파수는 선형 스위프(linear sweep) 형태로 제 1 최소 주파수에서부터 제 1 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제 1 변동 변조 주파수는 비선형 스위프(non-linear sweep) 형태로 제 1 최소 주파수에서부터 제 1 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제 1 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 제 1 최소 주파수에서부터 제 1 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제 1 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 변화할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이산 주파수 스텝들은 의사난수 노이즈 패턴(pseudorandom noise pattern) 형태의 스텝들일 수 있다.In particular, the
유사하게, 클럭 신호(216b)는 제 2 최소 주파수와 제 2 최대 주파수 사이에서 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 2 변동 변조 주파수는 제 1 클럭 신호(216a)의 제 1 변동 변조 주파수와 동일하고 동기될 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제 2 변동 변조 주파수는 제 1 클럭 신호(216a)의 제 1 변동 변조 주파수와 상이하나 동기될 수 있다.Similarly,
유사하게, 클럭 신호(216c)는 제 1 클럭 신호(216a) 또는 제 2 클럭 신호(217b)의 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 샘플링 주파수를 가진 샘플링 신호일 수 있다. 이 때, 이산 시간 선택 필터(30)는 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 노치 주파수를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 샘플링 주파수는 제 1 클럭 신호의 제 1 변동 변조 주파수의 정수배(integer times)와 같을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 샘플링 주파수는 제 1 변동 변조 주파수와 같을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 샘플링 주파수는 제 1 변동 변조 주파수의 두 배와 같을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 노치 주파수는 제 1 변동 변조 주파수와 같을 수 있다.Similarly,
몇몇 실시예들에서, 안티-에일리어스 필터(28)(anti-aliasing filter)는 변동 샘플링 주파수와 관련된 최대 샘플링 주파수의 절반 이상의 주파수 컴포넌트들을 감소시키기 위해 선택된 코너 주파수를 가질 수 있다.In some embodiments,
차동 신호들(204a-204b, 215a-215b, 206a-206b, 207a-207b, 208a-208b, 210a-210b, 212a-212b, 214a-214b)은 도 1의 신호들(14a-14b, 36a-36b, 18a-18b, 20a-20b, 22a-22b, 24a-24b, 28a-28b, 30a-30b)에 일반적으로 상응하지만, 다른 클럭 신호들(216a, ..., 216c)의 사용으로 인하여 상이할 수 있다. 차동 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(204a, ..., 204d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)는 도 1의 차동 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 도 1a 및 도 5의 요소들과 같은 요소들은 같은 참조 번호들로 지정되어 있다. 자기장 센서(230)는 도 1a의 자기장 센서(40)와 유사하다. 그러나, 자기장 센서(230)는 VCO 제어 신호 생성기(220)에 의해 생성되는 VCO 제어 신호(220a)를 수신하는 전압 제어 오실레이터(VCO)(218)를 포함할 수 있다. VCO(218)는 VCO 제어 신호(220a)에 응답하여 주파수가 변하는 VCO 출력 신호(218a)를 생성할 수 있다. 클럭 생성 회로(217)는 VCO 출력 신호(218a)를 수신할 수 있고, 클럭 신호(217a)를 생성할 수 있다.5A, elements such as those of FIGS. 1A and 5 are designated by the same reference numerals. The
도 1a의 클럭 생성 회로(49)와 유사하게, 클럭 생성 회로(217)는 변조 회로(15) 및 증폭기 회로(41)에 클럭 신호(217)를 제공할 수 있다. 그러므로, 선호되는 실시예들에서, 변조 회로(15)의 스위칭 기능은 증폭기 회로(41)의 스위칭 기능과 동기될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 필터 회로(48)는 클럭되지 않을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 필터 회로(48)는 이산 시간 선택 필터를 포함할 수 있다. 이산 시간 선택 필터는 도 5의 이산 시간 선택 필터(30)와 동일하거나 유사할 수 있으며, 이 경우에 다른 클럭 신호가 이산 시간 선택 필터를 클럭하기 위해 제공될 수 있다.Similar to the
도 5의 클럭 신호(216a)와 유사하게, 클럭 신호(217a)는 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 변화하는 변동 변조 주파수를 갖는 변조 신호일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 변조 주파수는 선형 스위프 형태로 최소 주파수에서부터 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 변조 주파수는 비선형 스위프 형태로 최소 주파수에서부터 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 최소 주파수에서부터 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 변화할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이산 주파수 스텝들은 의사난수 노이즈 패턴 형태의 스텝들일 수 있다.Similar to
신호들(205a-205b, 232a-232b, 234a, 235a, 236, 238a-238b, 240a-240b)은 도 1a의 신호들(14a-14b, 42a-42b, 43a, 44a, 45a, 46a-46b, 47a-47b)에 일반적으로 상응하지만, 다른 클럭 신호(217a)의 사용으로 인하여 상이할 수 있다. 차동 신호(202b, 202c)는 도 1a의 차동 신호(12b, 12c)와 유사하거나 동일할 수 있다.
도 6 내지 도 10은 도 5의 자기장 센서(200)의 동작 중에 발생하는 신호들의 예들을 나타낸다. 도 5a의 자기장 센서(230)의 동작 중에 발생하는 유사한 신호들로 이해될 것이나 명백하게 도시되지는 않았다.6 to 10 show examples of signals generated during operation of the
도 6을 참조하면, 그래프(250)는 임의의 시간 단위인 수평축과 임의의 전압 단위인 수직축을 갖는다. 최소 전압(254)에서부터 최대 전압(256)까지 스위프하는 곡선(252)은 도 5의 VCO 제어 신호(220a)의 하나의 특정한 실시예를 나타내고, 클럭 신호들(216a, 216b, 216c)의 주파수의 선형 스위프에 상응한다.Referring to FIG. 6, the
곡선(252)이 시간의 위쪽 방향으로 선형-변화(ramp)하는 반면에, 다른 시간 구간 동안에는 곡선(252)이 아래쪽 방향으로 선형-변화할 수 있다. 이 때, 위쪽 방향 및 아래쪽 방향으로의 선형-변화는 주기적으로 반복될 수 있다.While
도 6a를 참조하면, 그래프(260)는 임의의 주파수 단위인 수평축과 임의의 파워(power) 단위인 수직축을 갖는다. 그래프(260)는 주파수 영역을 나타낼 수 있다. VCO 제어 신호(220a)가 도 6에 도시된 바와 같이 주파수의 위쪽 방향 스위프인 경우에, 라인들(262a, ..., 262e)은 도 5의 클럭 신호(216a)에 대한 복수의 순간적인 스냅샷(instantaneous snapshot)들을 나타낸다. 그러나, 그것은 주파수의 아래쪽 방향 스위프로 아래쪽을 향하여(미도시) 선형-변화한다. 클럭 신호(216a)의 주파수를 나타내는 화살표(264a, 264b)가 최소 주파수인 와 사이에서 주파수가 위쪽으로 스위프한 후 아래쪽으로 스위프할 수 있다. 여기서, 주파수() 즉, 클럭 신호(216a)의 초핑 주파수(chopping frequency)(변조 주파수)가 스위프 범위(sweep range)의 중심인 중심 주파수(center frequency)일 수 있다. 다른 실시예들에서, 클럭 신호(216a)의 주파수는 주파수가 오직 위쪽 또는 아래쪽으로만 주기적으로 스위프한 후, 다른 극값(extreme value)으로 빠르게 리셋(reset)될 수 있다.Referring to FIG. 6A, the
도 7을 참조하면, 그래프(300)는 임의의 주파수 단위인 수평축과 임의의 파워 단위인 수직축을 갖는다. 그래프(300)는 주파수 영역을 나타낼 수 있다. 클럭 신호(216a)가 도 6a에 도시된 바와 같이 주파수의 위쪽 방향 스위프인 경우, 라인들(302a, ..., 302c)은 도 5의 차동 신호(207a, 207b)의 자기장 신호 컴포넌트의 기본 주파수(fundamental frequency)에 대한 복수의 순간적인 스냅샷들을 나타낸다. 그러나, 그것은 주파수의 아래쪽 방향 스위프로 아래쪽을 향하여(미도시) 선형-변화한다. 라인들(302a, ..., 302c)의 유한한(finite) 폭은 DC에서 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 주파수들에서도 신호 컨텐츠(signal content)를 갖는 자기장 신호 컴포넌트(즉, 도 5의 홀 요소(12)에 의해 검출된 자기장)를 나타낼 수 있다. 화살표(306a, 306b)는 차동 신호(207a, 207b)의 주파수가 주기적인 방식(periodic fashion)으로 주파수 상에서 위쪽으로 스위프한 후 아래쪽으로 스위프할 수 있음을 나타낸다.Referring to FIG. 7, the
라인들(304a, ..., 304c)은 도 5의 차동 신호(207a, 207b)의 자기장 신호 컴포넌트의 3차 고조파(third harmonic)에 대한 복수의 순간적인 스냅샷들을 나타낼 수 있다. 도 5의 변조 회로(14)(예를 들어, 도 2의 회로와 같은)는 도 5의 차동 신호 (202b, 202c)를 구형파(square wave)(클럭 신호(216a))로 곱(multiply)하는 회로로 이해될 것이다. 따라서, 라인들(302a, ..., 302c)에 의해 표현되는 스위핑 주파수의 3차 고조파(그리고, 다른 홀수 고조파들(odd harmonics))가 생성될 수 있다. 라인들(304a, ..., 304c)은 3차 고조파를 나타낼 수 있고, 다른 홀수 고조파들은 변조 회로(14)에 의해 생성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 중심 주파수()는 대략 300Khz일 수 있다.In some embodiments, the center frequency ( ) Can be about 300Khz.
라인들(304a, ..., 304c)이 라인들(302a, ..., 302c)에 적절한 상대적인 비율로 보이지는 않지만, 라인들(302a, ..., 302c)의 파워의 과 동일한 파워를 가질 수 있다.Although
파선(dashed line)(307)(좁은 스펙트럼(narrow spectrum))은 증폭기 회로(16)의 출력에서의 차동 신호(210a, 210b)(도 5)의 자기장 신호 컴포넌트를 나타낼 수 있다. 즉, 스위핑 클럭 신호(216b)에 의해 클럭될 때, 증폭기 회로(16)의 동작에 의해(제 2 스위칭 회로(24)에 의해) 베이스밴드로 다시 복조된 이후, 파선(307)은 도 7의 스위핑 신호(302a, ..., 302c)(즉, 자기장 신호 컴포넌트를 나타내는 차동 신호(207a, 207b))를 나타낼 수 있다. 이러한 복조는 라인(협대역(narrowband)) 스펙트럼(307)을 낳는다. 파선(307)으로 나타내어지는 차동 신호(210a, 210b)는 DC에서 또는 DC 근처에서 나타나고, 본 실시예에서는 스위프하지 않는다.A dashed line 307 (narrow spectrum) may represent the magnetic field signal component of the
곡선(308)은 필터 회로(26)의 패스 밴드(pass band)를 나타낼 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 7의 요소들과 같은 요소들은 같은 참조 번호들로 지정되어 있다. 그래프(320)는 임의의 주파수 단위인 수평축과 임의의 파워 단위인 수직축을 갖는다. 그래프(320)는 주파수 영역을 나타낼 수 있다. 클럭 신호(216a)가 도 6a에 도시된 바와 같이 주파수의 위쪽 방향 스위프인 경우에, 라인들(302a, ..., 302c)은 도 5의 차동 신호(207a, 207b)의 자기장 신호 컴포넌트의 기본 주파수에 대한 복수의 순간적인 스냅샷을 나타낼 수 있다. 그러나, 그것은 주파수의 아래쪽 방향 스위프로 아래쪽을 향하여(미도시) 선형-변화한다. 도 7의 3차 고조파들(304a, ..., 304c)은 도시되지 않았다.Referring to FIG. 8, elements such as those of FIG. 7 are designated by the same reference numerals.
라인(주파수)(322)은 노이즈를 나타낸다. 이러한 노이즈는 라인(322)이 도 5의 홀 요소(12)에 의해 검출될 수 있는 예를 들어, 자기장 노이즈일 수 있다. 또는, 이러한 노이즈는 라인(322)이 스위칭 회로(24) 이전의 도 5의 홀 요소(12), 변조 회로(14) 또는 증폭 회로(16)에 연결될 수 있는 예를 들어, 전기적인 노이즈일 수 있다(주: 만약 스위칭 회로(24) 이후에 주입되면, 노이즈는 베이스밴드로 다시 변조되지 않음). 이러한 전형적인 노이즈 신호(322)는 주파수가 변동되지 않는다(stationary).Line (frequency) 322 represents noise. Such noise may be magnetic field noise, for example, where the
몇몇 방식들에서, 중심 주파수()는 대략 300Khz일 수 있고, 노이즈(322)는 정적이거나 또는 대략 300Khz의 거의 정적인 주파수를 가질 수 있다. 그러나, 도 9b에 대한 아래의 설명으로부터, 도 5의 자기장 센서(200)(및 도 5a의 자기장 센서(230))는 중심 주파수()가 아닌 주파수들에서 노이즈 신호들 및 주파수가 변동되지 않는 노이즈 신호들을 위하여 이점(advantage)들을 제공할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 도 8에 도시된 예에서는, 명확화를 위하여, 중심 주파수()와 동일한 주파수에서의 노이즈 신호(322)가 도시되어 있다.In some ways, the center frequency ( ) May be approximately 300Khz and
라인들(324)의 그룹은, 클럭 신호들(216a, ..., 216c)의 주파수가 도 6a를 따라 스위프하는 경우, 도 5의 증폭기 회로(16)의 동작에 의하여 복조될 때(즉, 도 5의 차동 신호(210a, 210b 또는 212a, 212b) 내)의 스펙트럼 라인(spectral line)(322)을 나타낸다. The group of
노이즈(즉, 스펙트럼 라인(322))는 주파수가 스위프하는 클럭 신호(216b)로 복조될 때 주파수가 변동되지 않기 때문에, 라인들(324)의 그룹은 주파수가 스위프하는 베이스밴드 신호를 나타낼 수 있다. 만약, 변동 없는 클럭이 스위핑 클럭(216b) 대신에 증폭기 회로(16)에 의한 복조를 위하여 사용된다면(도 1과 같이), 복조된 노이즈 신호는 DC에서 또는 DC 근처에서 나타날 수 있고, 원하는 복조 신호(desired demodulated signal)(307)(자기장 신호 컴포넌트)와 결합할 수 있다. 이러한 결합은 원하는 복조 신호(307)의 정확도를 감소시킬 수 있다.Since noise (i.e., spectral line 322) does not vary in frequency when it is demodulated to
도 9 내지 도 9b는, (도 6 및 도 6a와 함께 상술된 바와 같이,) 클럭 신호(216a)가 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 위쪽과 아래쪽으로 선형적으로 변하는 주파수를 가질 때, 도 5의 자기장 센서(200)의 동작 중에 나타날 수 있는 전형적인 신호들을 보여주고 있다. 대조적으로, 도 10 내지 도 10b는, 클럭 신호(216a)가 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 위쪽과 아래쪽으로 변화하는 주파수를 가질 때, 도 5의 자기장 센서(200)의 동작 중에 나타날 수 있는 신호들을 보여주고 있다. 다른 실시예들도 도 5와 함께 상술되었지만, 다른 전형적인 신호들은 본 명세서에서는 명시적으로 도시되지 않는다.9-9B illustrate the frequency of FIG. 5 when the
도 9를 참조하면, 그래프(340)는 수 마이크로초(microseconds) 시간 단위인 수평축과 헤르츠(Hz) 주파수 단위인 수직축을 갖는다. 파형(waveform)(342)은 도 5의 클럭 신호(216a)의 주파수를 나타낼 수 있다. 그것은 위쪽으로 선형-변화한 후, 몇몇 실시예들에서, 아래쪽으로 선형-변화(미도시)할 수 있다. 따라서, 클럭들(216b, 216c)은 위쪽과 아래쪽으로 스위프할 수 있다.Referring to FIG. 9, the
도 9a를 참조하면, 그래프(360)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 수 밀리볼트(millivolts) 전압 단위인 수직축을 갖는다. 신호(362)는 도 5의 자기장 센서(200)에 노이즈(예를 들어, 주파수가 정적인 도 8의 노이즈(322))가 생길 때의 도 5의 차동 신호(212a, 212b)를 나타낼 수 있다. 따라서, 신호(362)는 도 8의 라인(324)의 그룹에 의해 나타내어지는 주파수가 스위프하는 신호를 나타낸다. 도 8과 함께 상술한 바와 같이, 신호(362)는 도 5의 증폭기 회로(16)(제 2 스위칭 회로(24))에 의해 복조되어 베이스밴드에 이르게 된 노이즈 신호(322)를 나타낸다. 그러나, 신호(362)는 스위핑 클럭 신호들(216a, ..., 216c)의 동작에 기인하여 주파수가 스위프한다.Referring to FIG. 9A,
신호(362)에서, 높은 주파수 컴포넌트는 더 낮은 주파수 사인 곡선(lower frequency sinusoid)을 타고 있는 것(riding upon)으로 보여질 수 있다. 높은 주파수 컴포넌트는 홀 요소에 의해 생성된 차동 신호의 오프셋 컴포넌트를 나타낼 수 있고, 주파수가 도 5의 변조 회로(14) 및 증폭기 회로(16)의 동작에 의하여 더 높은 주파수로 편이될 수 있다.In
도 9b를 참조하면, 그래프(380)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 수 밀리볼트 전압 단위인 수직축을 갖는다. 신호(382)는 도 5의 자기장 센서(200)에 노이즈(예를 들어, 주파수가 정적인 도 8의 노이즈(322))가 생길 때의 도 5의 차동 신호(214a, 214b)를 나타낼 수 있다. 신호(382)는 도 9a의 신호(362)와 유사하지만, 도 5의 이산 시간 선택 필터(30)를 통과한다. 도 9a의 신호(362)의 높은 주파수 컴포넌트는 도 5의 필터 회로(26)의 동작에 의하여 제거될 수 있다. 샘플 스텝(samples steps)은 신호(382)에서 보여질 수 있고, 이산 시간 선택 필터(30)의 이산적인 샘플링 결과일 수 있으며, 원하는 경우 추가적인 필터(미도시)에 의해 제거될 수 있다.Referring to FIG. 9B, the
신호들(362, 382)은 주파수가 스위프하는 신호로서 보여지는 노이즈를 포함하고, 원하는 신호(즉, 홀 요소(12)에 의해 생성된 차동 신호(202b, 202c)의 자기장 신호 컴포넌트)는 차동 신호(202b, 202c)의 자기장 신호 컴포넌트가 DC일 때, 신호들(362 및 382)의 DC 부분일 수 있다. 이러한 DC 부분은 0 볼트인 것으로 보이지만, 홀 요소(12)에 의해 검출된 자기장에 비례하는 다른 값일 수도 있다.
도 5의 클럭 신호들(216a, ..., 216c)이 도 1의 클럭 신호들(32a, ..., 32c)처럼 정적인 주파수를 가진다면, 도 8의 정적인 노이즈 신호(322)는 (도 5의 제 2 스위칭 회로(24)에 의해) 복조될 때, 도 8의 라인들(324)의 그룹에 따라 주파수가 스위프되지 않고, 하나의 주파수에 있을 것이다. 도 8의 정적인 노이즈 신호(322)는 DC에 또는 DC에 근접(느리게 변화)하고, 그에 따라 도 5의 신호(214a, 214b)의 자기장 신호 컴포넌트의 검출 결과를 부정확하게 만들 수 있다. 그러나, 스위핑 클럭 신호들(216a, ..., 216c)이 주파수가 스위프하는 노이즈 신호를 만들기 때문에, 노이즈 신호는 쉽게 식별될 수 있고, 후속 과정 또는 오직 원하는 자기장 신호 컴포넌트를 남기는 후속 필터링에 의하여 제거될 수 있다.If the clock signals 216a, ..., 216c of FIG. 5 have a static frequency like the clock signals 32a, ..., 32c of FIG. 1, the
이러한 후속 과정 또는 후속 필터링은 도 5 및 도 5a에 도시된 프로세싱 모듈(processing module)(222)로 제공될 수 있고, 그것은 도 5 또는 도 5a의 차동 신호(214a, 214b 또는 240a, 240b)를 각각 수신할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 프로세싱 모듈(222)은 간단한 로우 패스 필터일 수 있다. 다른 실시예들에서, 프로세싱 모듈(222)은 다른 이산 시간 선택 필터를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 프로세싱 모듈(222)은 디지털 필터(digital filter)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 프로세싱 모듈(222)은 차동 신호(214a, 214b 또는 240a, 240b)의 안정된 시간 영역(stable time region)을 선택하고, 자기장 신호 컴포넌트를 식별하기 위하여 차동 신호의 DC 값(또는, 천천히 변하는 값)을 계산하는 로직(logic)을 포함할 수 있다.This subsequent process or subsequent filtering may be provided to the
노이즈 신호와 자기장 신호 컴포넌트 사이의 구별(differentiation)은, 변하는 노이즈 신호가 자기장 신호 컴포넌트의 주파수에서(DC 포함) 존재하지 않는 한, 주파수가 상대적으로 느리게 변하는 차동 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(202a, ..., 202d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)의 자기장 신호 컴포넌트를 위하여 정확하게(true) 남아 있을 수 있다. 또한, 노이즈 신호와 자기장 신호 컴포넌트 사이의 구별은, 노이즈 신호의 변하는 주파수가 자기장 신호 컴포넌트의 변하는 주파수의 주파수에서 존재하지 않는 한, 주파수가 상대적으로 변하는 차동 신호(즉, 신호들(202a, ..., 202d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)의 자기장 신호 컴포넌트를 위해 정확하게 남아 있을 수 있고, 노이즈 신호는 주파수가 변할 수 있다.The differentiation between the noise signal and the magnetic field signal component is dependent on the differential signal (i.e., the modulation circuit 14) whose frequency changes relatively slowly, unless a varying noise signal is present at the frequency of the magnetic field signal component (including DC). Thereby remaining true for the magnetic field signal component of the differential signal suitably selected from among the
도 10을 참조하면, 그래프(400)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 헤르츠(Hz) 주파수 단위인 수직축을 갖는다. 파형(402)은 도 5의 클럭 신호(216a)의 주파수를 나타낼 수 있고, 파형(402)은 이산적인 스텝 업(discrete steps up) 형태를 취할 수 있으며, 이후, 몇몇 실시예들에서, 파형(402)은 이산적인 스텝 다운(discrete steps down) 형태를 취할 수 있다. 따라서, 클럭들(216b, 216c)은 이산적인 주파수 스텝들 형태로 스텝-업과 스텝-다운을 할 수 있다.Referring to FIG. 10, the
도 10a를 참조하면, 그래프(420)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 수 밀리볼트 전압 단위인 수직축을 갖는다. 신호(422)는 도 5의 자기장 센서(200)에 노이즈(예를 들어, 주파수가 정적인 도 8의 노이즈 신호(322))가 생길 때의 도 5의 차동 신호(212a, 212b)를 나타낼 수 있다. 따라서, 신호(422)는 또한 주파수가 스텝하는(stepping) 신호를 나타낼 수 있고, 신호(422)는 도 8의 라인들(324)의 그룹에 의하여 나타내어질 수 있다. 도 8과 함께 상술한 바와 같이, 신호(422)는 도 5의 증폭기 회로(16)에 의해 복조되어 베이스밴드에 이르게 된 도 8의 노이즈 신호(322)를 나타내지만, 주파수 스텝핑 클럭 신호들(216a, ..., 216c)의 동작으로 인하여 주파수가 스텝한다.Referring to FIG. 10A, the
신호(422)에서, 높은 주파수 컴포넌트는 더 낮은 주파수 스텝 신호(lower frequency stepped signal)를 타고 있는 것으로 보여질 수 있다. 상기 컴포넌트는 홀 요소(12)에 의해 생성된 차동 신호(202b, 202c)의 오프셋 컴포넌트를 나타낼 수 있고, 주파수가 도 5의 변조 회로(14) 및 증폭기 회로(16)의 동작에 의하여 더 높은 주파수로 편이될 수 있다.At
도 10b를 참조하면, 그래프(440)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 수 밀리볼트 전압 단위인 수직축을 갖는다. 신호(442)는 도 5의 자기장 센서(200)에 노이즈(예를 들면, 주파수가 정적인 도 8의 노이즈(322))가 생길 때의 도 5의 차동 신호(214a, 214b)를 나타낼 수 있다. 신호(422)는 도 10a의 신호(422)와 유사할 수 있지만, 도 5의 이산 시간 선택 필터(30)를 통과할 수 있다. 도 10a의 신호(422)의 높은 주파수 컴포넌트는 도 5의 필터 회로(26)의 동작에 의하여 제거될 수 있다. 샘플 스텝들은 신호(422)에서 보여질 수 있고, 원하는 경우 추가적인 필터(미도시)에 의해 제거될 수 있다.Referring to FIG. 10B, the
노이즈 신호와 자기장 신호 컴포넌트 사이의 구별과 관련된 도 9b에 대한 설명은 도 10 내지 도 10b와 관련하여 실질적으로 동일하다. 그러므로, 상기 설명은 여기서 반복되지 않을 것이다.The description of FIG. 9B relating to the distinction between noise signal and magnetic field signal components is substantially the same with respect to FIGS. 10-10B. Therefore, the above description will not be repeated here.
상술한 바와 같이, 다른 클럭 신호들(216a, ..., 216c)은 다른 유형의 변조들을 제공할 수 있다. 그러나, 그것들은 오프셋 컴포넌트를 실질적으로 제거하는 동안에, 자기장 신호 컴포넌트를 노이즈 신호로부터 구별하는 데에 있어 동일한 능력을 갖는다.As discussed above,
여기에서 인용되는 모든 인용문헌들은 그 전체로서 참조로 여기에 병합된다.All citations cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety.
이상, 본 특허의 내용에 해당하는 다양한 개념들, 구조들 및 기술들을 기술하기 위하여 선호되는 실시예들이 설명되었다. 그러나, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 상기 개념들, 구조들 및 기술들을 병합하는 다른 실시예들이 사용될 수 있다는 점은 자명할 것이다. 그러므로, 본 특허의 권리 범위는 개시되어 있는 실시예들로만 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서 한정되어야 한다는 것을 이해하여야 한다.In the above, preferred embodiments have been described in order to describe various concepts, structures and techniques corresponding to the contents of the present patent. However, it will be apparent to those skilled in the art that other embodiments incorporating the concepts, structures, and techniques may be used. Therefore, it should be understood that the scope of the present patent should not be limited to the disclosed embodiments, but should be limited by the spirit and scope of the appended claims.
Claims (25)
상기 홀 요소 출력 신호를 수신하여 변조 회로 출력 신호를 생성하고, 제 1 최소 주파수와 제 1 최대 주파수 사이에서 변화하는 제 1 변동 변조 주파수를 갖는 제 1 변조 신호로 상기 자기장 신호 컴포넌트 또는 상기 오프셋 신호 컴포넌트를 변조하는 홀 요소 변조 회로를 포함하는 자기장 센서.A Hall element for generating a Hall element output signal comprising a magnetic field signal component and an offset signal component in response to the magnetic field; And
Receiving the Hall element output signal to generate a modulated circuit output signal, the magnetic field signal component or the offset signal component being a first modulated signal having a first varying modulation frequency that varies between a first minimum frequency and a first maximum frequency Magnetic field sensor comprising a Hall element modulation circuit for modulating.
상기 변조 회로 출력 신호를 수신하여 증폭기 회로 출력 신호를 생성하는 증폭기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.The method of claim 1,
And an amplifier circuit for receiving the modulator circuit output signal and generating an amplifier circuit output signal.
상기 증폭기 회로 출력 신호를 수신하여 자기장 센서 출력 신호를 생성하는 필터 회로를 더 포함하고,
상기 필터 회로는
안티-에일리어스(anti-alias)된 신호를 생성하는 안티-에일리어스 필터; 및
상기 안티-에일리어스 필터에 연결되고, 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 샘플링 주파수를 갖는 샘플링 신호에 따라 상기 안티-에일리어스된 신호를 나타내는 신호를 샘플링하는 이산 시간 선택 필터(discrete time selective filter)를 포함하며,
상기 이산 시간 선택 필터는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 노치 주파수(changing notch frequency)를 갖는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.The method according to claim 6,
And a filter circuit for receiving the amplifier circuit output signal and generating a magnetic field sensor output signal.
The filter circuit
An anti-alias filter for producing an anti-aliased signal; And
A discrete time selective filter coupled to the anti-alias filter and sampling a signal representing the anti-aliased signal according to a sampling signal having a varying sampling frequency associated with the first varying modulation frequency filter),
And said discrete time selection filter has a changing notch frequency associated with said first varying modulation frequency.
상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터(voltage controlled oscillator) 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.13. The method of claim 12,
And a voltage controlled oscillator for generating a voltage controlled oscillator output signal having a varying frequency associated with said first varying modulation frequency.
상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 수신하여 상기 제 1 변조 신호, 상기 제 2 변조 신호 또는 상기 샘플링 신호 중에서 적어도 하나 이상을 생성하는 클럭 생성(clock generation) 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.The method of claim 18,
And a clock generation circuit configured to receive the voltage controlled oscillator output signal and to generate at least one of the first modulated signal, the second modulated signal, or the sampling signal.
출력 신호를 생성하여 상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호의 상기 변동 주파수를 제어하는 신호 생성 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.The method of claim 18,
And a signal generation circuit for generating an output signal to control the variable frequency of the voltage controlled oscillator output signal.
상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.The method of claim 1,
And a voltage controlled oscillator for generating a voltage controlled oscillator output signal having a variation frequency associated with said first variation modulation frequency.
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